基于跳頻系統(tǒng)的ALC方法*

王宗謙 卿 劍

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

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基于跳頻系統(tǒng)的ALC方法*

王宗謙 卿 劍

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

提出了一種適合跳頻系統(tǒng)下的自動(dòng)電平控制(ALC)方法,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)大幅度提高系輸出功率的穩(wěn)定度,文中詳細(xì)說(shuō)明了設(shè)計(jì)過(guò)程,并在實(shí)際系統(tǒng)中驗(yàn)證了其性能。

自動(dòng)電平控制; 跳頻

Class Number TN914.42

1 引言

自動(dòng)電平控制(Automatic Level Control,ALC)[1～2]的作用是當(dāng)輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電平恒定不變,即當(dāng)輸入信號(hào)功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時(shí),經(jīng)過(guò)ALC環(huán)路[3～4]穩(wěn)幅后,輸出信號(hào)的功率值都會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的幅度值上。為保證整機(jī)輸出功率穩(wěn)定,在射頻放大器電路中設(shè)置ALC環(huán)路電路尤為必要。本文設(shè)計(jì)的這種控制方法主要用于跳頻電臺(tái)后端輸出,可滿(mǎn)足帶寬頻段射頻信號(hào)穩(wěn)幅輸出要求。當(dāng)前很多ALC是基于模擬電路設(shè)計(jì),電路調(diào)試復(fù)雜,參數(shù)不易更改,通用性差,控制精度低,且對(duì)波形有一定限制?；谝陨先秉c(diǎn),本文中采用的方案是基于數(shù)字控制的ALC閉環(huán)設(shè)計(jì),軟件可編程的控制方法極大地提高的射頻硬件的通用性。

2 ALC原理

本文所設(shè)計(jì)的ALC框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)控衰減器[5]、增益可變放大器、檢波器[6]、平滑濾波器、AD以及FPGA組成。數(shù)控衰減器可以選擇較寬控制范圍,如0～40dB,這樣可以輸出不同大小的功率。可變?cè)鲆娣糯箧溌肥怯啥嗉?jí)固定增益級(jí)聯(lián),每個(gè)固定增益衰減器也可以直通,這樣整個(gè)鏈路的調(diào)控范圍大大增加,同時(shí)也減小了對(duì)數(shù)控衰減器的要求,提高了鏈路控制精度。檢波器采用AD8362,可以檢測(cè)-52dBm～+8dBm強(qiáng)度的信號(hào)。平滑濾波主要是為了減小場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)的誤差,AD是將模擬電壓表示的場(chǎng)強(qiáng)量化為數(shù)字信息,然后送給FPGA做判決進(jìn)行電平控制。

圖1 ALC原理框圖

3 跳頻下的ALC方法

目前常見(jiàn)跳頻[7]系統(tǒng)中的ALC是在一跳數(shù)據(jù)的跳頭加入訓(xùn)練頭,用訓(xùn)練頭評(píng)估輸出功率,一般用于做ALC的訓(xùn)練頭有幾十微秒,在高速跳頻系統(tǒng)中開(kāi)銷(xiāo)較大,而且進(jìn)行功率計(jì)算的時(shí)間短,誤差大,導(dǎo)致輸出的功率抖動(dòng)大。本文中的方法主要是針對(duì)現(xiàn)在跳頻系統(tǒng)中的ALC做出的改進(jìn)。

主要思想是將整個(gè)工作頻段平分為若干段,每個(gè)段包含若干頻率如圖2,發(fā)射頻率落在段內(nèi)的頻率都認(rèn)為是該段所發(fā)的功率。發(fā)射功率時(shí)用當(dāng)前跳來(lái)計(jì)算發(fā)功率,由于采用接近一整跳的數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)射功率,所以誤差非常小,然后在跳尾根據(jù)計(jì)算的功率將要調(diào)整的衰減器值存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)段的寄存器中,在下次該段頻率出現(xiàn)時(shí),從其對(duì)應(yīng)段的寄存器中讀出衰減值控制數(shù)控衰減器。

圖2 頻段劃分

4 參考功率校準(zhǔn)

在功放生產(chǎn)完成后,由于器件、工藝的差異,放大性能有一定偏差,需要對(duì)每個(gè)功放的標(biāo)準(zhǔn)功率進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)采用VF電壓[8],VF電壓對(duì)環(huán)境溫度不敏感,以此做為功率檢測(cè)誤差較小。校準(zhǔn)框圖如圖3,由PC機(jī)、信號(hào)源、功率計(jì)和功放單元組成,校準(zhǔn)的目的是將整個(gè)頻段上所有頻點(diǎn)輸出的標(biāo)準(zhǔn)功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的VF檢測(cè)電壓保存在功放內(nèi)部的E2PROM。

圖3 參考功率校準(zhǔn)原理框圖

首先將整個(gè)頻段f0～f1劃分為N段,每段帶寬為(f1-f0)/N,頻率間隔也為(f1-f0)/N如圖2所示。

用信號(hào)源給出固定功率的Ui,通過(guò)調(diào)整數(shù)控衰減器使得Uo輸出功率逼近于功放要求,待輸出功率穩(wěn)定后,將正向電壓值存儲(chǔ)在E2PROM中,正常工作時(shí),從中取作為參考值使用。

5 初始功率校準(zhǔn)

在跳頻系統(tǒng)中,跳頻規(guī)律由跳頻圖案[9]決定,各個(gè)頻率出現(xiàn)的概率可能不同,甚至部分頻率長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)出現(xiàn),那么開(kāi)機(jī)后各個(gè)頻點(diǎn)上輸出的功率差異較大。如果要保證開(kāi)機(jī)后各頻點(diǎn)上輸出的功率快速達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)范圍內(nèi),可以在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后快速對(duì)整個(gè)頻段上的頻點(diǎn)進(jìn)行功率掃描,即在每個(gè)頻段上發(fā)幾次讓ALC快速閉環(huán),掃描后使得各頻段輸出功率快速收斂,然后正常發(fā)功率時(shí)再進(jìn)行實(shí)時(shí)功率校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)更新衰減值。

6 功率計(jì)算

圖4 功率計(jì)算

功率計(jì)算對(duì)的準(zhǔn)確度對(duì)ALC控制的穩(wěn)定度影響很大,一般的跳頻系統(tǒng)中會(huì)在一跳的開(kāi)始加入固定的載波信號(hào)用來(lái)估算功率[10],跳速越高開(kāi)銷(xiāo)越大(有效數(shù)據(jù)占整跳的比例),所以對(duì)高速跳頻系統(tǒng)不太合適,同時(shí)這種方法中用于計(jì)算功率的數(shù)據(jù)短,誤差大,導(dǎo)致控制效果差。本文中提出的方法是用接近一整跳的時(shí)間來(lái)計(jì)算功率,由于積分時(shí)間長(zhǎng),誤差小,計(jì)算功率時(shí)盡量去掉跳頭/跳尾如圖4,因?yàn)樵谔^/跳尾存在頻率切換信號(hào)會(huì)突變。功率計(jì)算完成后將其存入當(dāng)前頻率fx所對(duì)應(yīng)的寄存器中,在下一次該頻率出現(xiàn)時(shí)根據(jù)上一次計(jì)算的功率值調(diào)整數(shù)控衰減器,調(diào)整時(shí)刻在當(dāng)前跳的起始位置,調(diào)整時(shí)間非常短,基本上可認(rèn)為是零開(kāi)銷(xiāo)。

7 實(shí)時(shí)功率校準(zhǔn)

參考功率校準(zhǔn)值本身隨波形溫度的變化很小,可以認(rèn)為是恒定不變的。但是由于射頻模塊中的放大器等器件特性與工藝、溫度有關(guān),所以不同的模塊的增益也會(huì)變化,要調(diào)整數(shù)控衰減器保證所有模塊的VF檢測(cè)電壓接近參考VF參考值,使得最終輸出的功率保持穩(wěn)定。VF電壓檢測(cè)實(shí)際上是對(duì)VF電壓一段時(shí)間內(nèi)積分,積分時(shí)間越長(zhǎng),電壓檢測(cè)越準(zhǔn),但是時(shí)間越長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致切頻時(shí)間過(guò)長(zhǎng),在高速跳頻應(yīng)用中難以使用。VF檢測(cè)在模擬電路中是用電容來(lái)調(diào)整積分時(shí)間的,在FPGA中實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)VF電壓求平均,平均時(shí)間為積分時(shí)間,軟件控制的方式比硬件更加靈活。

本文中所提出的方法是在電臺(tái)頻率為fx時(shí)對(duì)整跳的VF電壓求平均,同時(shí)與該頻率對(duì)應(yīng)的VF參考值比較,將差值記錄下來(lái)在下一次fx頻率到來(lái)時(shí)調(diào)整數(shù)控衰減器如圖5。Atten[fx]表示下一次fx頻率到來(lái)時(shí)數(shù)控衰減器需要調(diào)整的值,是當(dāng)前跳計(jì)算出來(lái)的,整跳中ALC的調(diào)整時(shí)間為數(shù)控衰減器的切換時(shí)間,一般為1μs的量級(jí)。

圖5 衰減值更新

8 測(cè)試結(jié)果

圖6是采用使用此方法實(shí)際測(cè)試效果,從圖中可以看出每段持續(xù)時(shí)間為1跳,跳之間有間隙。間隙有兩個(gè)目的: 1) 避免換頻時(shí)雜散過(guò)大,不滿(mǎn)足電磁兼容要求; 2) 切頻時(shí)信號(hào)突變可能導(dǎo)致功放保護(hù),待頻合鎖定后再開(kāi)始輸出功率。

圖6 ALC測(cè)試效果

從圖6中可以看出功率與參考功率相差較大時(shí),控制的步進(jìn)較大,反之則減小控制步進(jìn),最終收斂到穩(wěn)定的功率上。

9 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種跳頻系統(tǒng)下的ALC方法,針對(duì)于跳頻系統(tǒng)的特殊時(shí)隙結(jié)構(gòu),對(duì)控制方法做了優(yōu)化,提高了系統(tǒng)帶寬利用和功率輸出的穩(wěn)定度,控制簡(jiǎn)單,較好的解決了目前跳頻系統(tǒng)下的ALC問(wèn)題。

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A ALC Method Based on Frequency Hopping

WANG Zongqian QING Jian

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co., Ltd, Guangzhou 510663)

In this paper, a ALC method based on Frequency is proposed, with which the stabel of output power is greatly improved. The detailed description of this method is presented, and its performance of the method is verified in actual system.

ALC, frequency hopping

2015年3月1日,

2015年4月29日

王宗謙,男,碩士,工程師,研究方向:數(shù)字信號(hào)處理。卿劍,男,碩士,工程師,研究方向:射頻前端。

TN914.42

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.018